一种低凝固点起泡剂的制备与性能评价

2015-07-13董雅杰杨旭王凯袁舰兰余婷郭丽

应用化工 2015年8期

董雅杰，杨旭，王凯，袁舰兰，余婷，郭丽

(西南石油大学化学化工学院，四川成都 610500)

水基泡沫是气体与表面活性剂水溶液形成的分散体系，具有密度低、黏度高、含液量少、可乳化携带原油等特点，被广泛应用于冲砂、洗井、携砂、调剖堵水和驱油等领域［1］。但泡沫本质上是热力学不稳定体系，良好的稳定性是其应用前提。高稳定性的泡沫可有效运用于各个领域，满足现场施工要求，一般单一的表面活性剂产生泡沫的稳定性通常较差;而在一定条件下，不同种类的表面活性剂复配会表现出显著的协同效应，研究者们已经通过各类表面活性剂的复配，极大地提升了泡沫体系的稳定性，将半衰期延长至40 ～1 080 min 不等［2］。本文通过多种起泡剂、降低凝固点的辅剂和稳泡剂的复配，筛选出一种低冻点、闪点高、发泡能力强和高稳定性的起泡剂，以获得性能优越的水基泡沫。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

沙索高泡脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠(LAES)有效成分70%、α-烃基磺酸钠(AOS)有效成分70%、椰油酰胺丙基甜菜碱(CAB)有效成分40%、重烷基苯磺酸钠(HABS-2024)有效成分88.2%;十二烷基硫酸钠(SDS)、异丙醇、甘油、1，2-丙二醇均为分析纯;分子量1 600 万水解聚丙烯酰胺(HPAM-1600);分子量10 万羟乙基纤维素(HEC-10);羟丙基胍胶(HPG)，化学纯。

HZY-B300 电子天平;GJ-1 型高速搅拌机;2151型罗氏泡沫仪;BSY-179D 多功能低温测定仪;BSY-102 闭口闪点测定仪;JZHY-180 表面张力仪;XEDSPJ 旋转滴界面张力仪。

1.2 实验方法

先采用罗氏-迈尔斯(Ross-Miles)法评价复配体系的起泡及稳泡能力。具体步骤:将200 cm3试液从高900 mm，内径为2.9 mm 细孔中流下，冲入盛有50 cm3同样温度和浓度的试液中，记下刚流完200 cm3溶液时的泡沫高度H0和5 min 后的泡沫高度H5作为发泡剂起泡能力和泡沫稳定性的评价，加入稳泡剂以后再采用Waring Blender 法［3］评价基液的起泡能力及所形成泡沫的稳定性，具体步骤:在常温下(25 ℃)配制100 mL 的一定浓度的起泡基液，采用高速搅拌机持续搅拌1 min，然后迅速将泡沫倒入1 000 mL的带封口的量筒中，读取泡沫体积V0(mL)，用以表征泡沫的起泡能力。然后记录从泡沫中析出一半液体(50 mL)时所需的时间t1/2(min)，即泡沫的半衰期，以衡量泡沫的稳定性。

2 结果与讨论

2.1 低凝固点、高发泡能力起泡剂配方

2.1.1 起泡剂在起泡剂浓度为3 g/L 的情况下，5 种单一起泡剂的起泡性能见表1。

表1 单一起泡剂的起泡性能Table 1 The blistering performance of single foaming agent

由表1 可知，起泡剂LAES 和起泡剂CAB 起泡能力要较其他起泡剂起泡能力好，因此在后续实验选用LAES 和CAB 进行复配，由于CAB 是两性表面活性剂，价格昂贵，可以考虑加入聚合物与少许CAB 形成一种空间结构，增强泡沫膜的强度，提高其发泡能力，而加入阳离子聚合物之后，起泡剂可能被吸附到岩石上，不能发挥作用，笔者选用阴离子聚合物HPAM 进行复配，而HABS-2024 的疏水基团很长能有效降低表面张力，复配体系的起泡性能见表2。

表2 复配体系的起泡性能(浓度3 g/L)Table 2 The blistering performance of the synergy system

由表2 可知，编号为8 的起泡剂起泡效果好，由于复配HABS-2024 可以降低泡沫体系的表面张力，故在后续实验中选用编号14 的起泡剂。

起泡剂浓度对起泡剂起泡能力影响见图1。

图1 起泡剂浓度对泡沫性能的影响Fig.1 The effect of foaming agent’s concentration on blistering performance

由图1 可知，随着起泡剂浓度的增大体系的发泡能力呈现先增大后降低的趋势，峰值出现在浓度为3 g/L 左右，因此并不是起泡剂浓度越大越好。以下实验均采用浓度为3 g/L 的编号为14 的起泡剂，命名为14#。

2.1.2 降低凝固点的辅剂当物质液相蒸汽压与固相的蒸汽压相等，且能平衡共存时的温度为该物质的凝固点，当纯溶剂中溶解一种难挥发的非电解质后，该溶剂的凝固点会降低，也就是溶液的凝固点降低与溶液的质量摩尔浓度成正比，数学表达式为:

ΔTf为凝固点降低值，Kf为溶剂的凝固点降低常数［水为1.86 K/(kg·mol)］，bB为溶液的质量摩尔浓度，常用的降低凝固点物质为醇、盐类物质，笔者分别选用异丙醇、甘油、1，2 丙二醇、NaCl 进行筛选作为起泡剂的防冻剂，测复配起泡剂的凝固点和闪点，为能使起泡剂在低温下具有良好的流动性，起泡剂凝固点应低于－15 ℃，同时为了起泡剂储存的安全性，闪点应该要够高，降低凝固点的辅剂与14#起泡剂复配效果见表3。

表3 降低凝固点的辅剂与14#起泡剂复配性能Table 3 The performance for compounds of 14 # foaming agent with different freezing point reducing builder

由表3 可知，当14#起泡剂与1，2-丙二醇复配质量比为7∶3 时，最终的起泡剂凝固点为－16 ℃，在102 ℃时开始沸腾，闪点也满足要求，而且加入的1，2-丙二醇几乎对原14#起泡剂起泡能力没有任何影响，将最终复配的起泡剂命名为ZX-28。

2.2 高稳定性起泡体系复配配方

考虑到地层岩石一般显正电性，笔者分别选择分子量1 600 万水解聚丙烯酰胺(HPAM-1600)、分子量10 万羟乙基纤维素(HEC-10)、羟丙基胍胶(HPG)作为稳泡剂，3 种稳泡剂均属于增粘性稳泡剂，可以增加溶液的粘度，一定程度上延缓泡膜排液和气体扩散，从而增加泡沫体系的稳定性［4-6］，分别将其交联以后与起泡剂体系复配有望获得稳定性较高的泡沫体系，采用Waring Blender 法评价基液的起泡能力，结果见表4。

向基液中加入稳泡剂后，体系的发泡能力均有不同程度的降低但泡沫稳定性却显著提髙。主要原因是稳泡剂的加入使溶液的黏度增大一方面使得起泡时需要克服的黏滞阻力增大气体进入液相更加困难，导致发泡量降低;另一方面，较高的黏度减缓了液膜排液及气泡破裂的速率，从而提高了泡沫的稳定性［6］。实验结果表明，ZX-28 起泡剂浓度为3 g/L，稳泡剂为HPAM-1600，浓度为2 g/L 时，基液发泡能力和稳定性最好，发泡量为788 mL，半衰期达3 720 min，有良好的应用前景。

2.3 起泡剂性能

2.3.1 表面张力和界面张力的测试按照表5 配制标准胜利盐水水样，采用JZHY-180 表面张力仪测试含3 g/L ZX-28 起泡剂溶液的表面张力，测试结果见图2。

表4 稳泡剂种类对泡沫性能的影响Table 4 The effect of different kinds of foam stabilizer on blistering performance

表5 配制1.0 L 胜利盐水所需试剂质量表Table 5 The demand reagents mass table of 1.0 L self-prepared Shengli brine

图2 起泡剂浓度对表面张力的影响Fig.2 The effect of foaming agent’s concentration on surface tension

由图2 可知，在起泡剂浓度为3 g/L 时，溶液表面张力为28.8 mN/m，而胜利盐水水样表面张力标准为≤32 mN/m，故满足作业发泡剂要求，在后续测界面张力时，起泡剂浓度也为3 g/L。

采用旋转滴界面张力仪测试体系的油水界面张力，油相为大庆原油，实验温度为25 ℃，界面张力仪转速为5 000 r/min，平衡2 h 之后，读取界面张力值。

图3 HPAM 浓度对油水界面张力的影响Fig.3 The effect of HPAM’s concentration on water-oil interfacial tension

由图3 可知，HPAM 对油水界面张力影响并不大，HAPM 浓度为2 g/L 时，油水界面张力为2.5 mN/m，油水已经可以很好的互溶，该体系可以用来驱油，油水混合物可以很好的被破乳。HPAM是水溶性很强的聚合物，在油水界面上吸附较弱，但由于其在水相中的存在，必然会有HPAM 分子扩散到界面上。HPAM 分子在界面上会顶替部分原吸附的界面活性物质，从而影响界面层中各种分子间的作用力，且从HPAM 分子结构分析其界面活性不大，因此对体系的界面张力不存在明显影响［7］。油水界面张力仍主要取决于原油中界面活性物质在油水界面的吸附量。